北鬥與GNSS終端天線技術與應用

第一篇　基　礎　篇
第1章　GNSS定位與通信基礎 3
1.1　時間、空間和導航衛星信號 4
1.1.1　時間基準與同步 4
1.1.2　空間坐標系及其轉換 5
1.1.3　GPS導航電文與衛星信號 7
1.1.4　BD-Ⅱ導航衛星信號 8
1.2　衛星定位的基本原理 10
1.2.1　三球交會定位原理 10
1.2.2　偽距測量方程 10
1.2.3　偽距測量方程求解 11
1.2.4　載波相位測量方程及其求解 13
1.2.5　消除系統誤差的差分方法 16
1.3　直接序列擴頻（DSSS）和碼分多址（CDMA）通信 18
1.3.1　無線數字通信基礎 18
1.3.2　GNSS擴頻通信系統 20
1.3.3　直接序列擴頻通信系統性能指標 23
1.4　BDS導航定位的RNSS/RDSS 25
1.4.1　BDS的雙星快速定位報告系統 25
1.4.2　BDS-Ⅱ的RDSS/RNSS定位 27
1.4.3　BDS-Ⅲ全球導航衛星星座 29
1.5　導航星座的星間鏈路 32
1.5.1　建立導航衛星星間鏈路的必要性 32
1.5.2　GPS-UHF星間鏈路 33
1.5.3　Ka頻段星間鏈路 34
第2章　GNSS終端接收機天線的主要性能參數 36
2.1　無線電波傳輸與衛星導航信號的接收 37
2.1.1　衛星導航信號的傳輸 37
2.1.2　天線輻射源場區 38
2.1.3　費裡斯傳輸方程與GNSS終端接收信號 39
2.2　GNSS終端接收天線的基本性能參數 40
2.2.1　工作頻率與帶寬 40
2.2.2　輻射方向圖、方向性系數和增益 41
2.2.3　地面接收天線的品質因數 46
2.2.4　天線的極化及極化效率 47
2.2.5　阻抗匹配 55
2.3　GNSS終端接收天線最小增益瓣寬和精度因子 56
2.3.1　天線最小增益瓣寬和最低截止角 56
2.3.2　觀測衛星的幾何精度因子 58
第3章　GNSS終端天線的相位特性和多徑效應 63
3.1　GNSS終端接收天線相位中心特性 64
3.1.1　研究天線相位中心特性的必要性 64
3.1.2　天線相位中心的幾個基本定義 64
3.2　天線相位中心的數學模型及求解 66
3.2.1　天線相位中心的數學模型 66
3.2.2　天線相位中心特性的解算模型 68
3.2.3　天線相位中心特性的求解 68
3.3　 GNSS天線相位中心標校及其改正模型研究 71
3.3.1　相位中心的外場相對標校 72
3.3.2　基於自動機器人的絕對標校 78
3.4 GNSS接收機中的多徑效應及其影響 80
3.4.1　多徑效應 80
3.4.2　多徑效應對GNSS定位精度的影響 82
3.5　GNSS終端接收天線的極化及其空間濾波 87
3.5.1　收發天線間的極化損失 87
3.5.2　抑制多徑效應的天線空間極化濾波設計 88
3.5.3　GNSS接收天線的理想輻射模型及方向圖綜合 88
3.5.4　多徑效應對天線相頻特性的影響 90
3.6　半球波束天線地板與多徑效應抑制 92
3.6.1　半球波束與地板 92
3.6.2　抑制多徑效應的天線地板設計 92

第二篇　應　用　篇
第4章　螺旋天線 99
4.1　軸向模螺旋天線 100
4.1.1　端射螺旋天線輻射 100
4.1.2　軸向模螺旋天線的結構參數和輻射性能估計 101
4.1.3　端射軸向模螺旋天線與結構相關的問題 102
4.2　螺旋周期結構中的波模特性 102
4.2.1　傳統螺旋線色散曲線 102
4.2.2　四臂螺旋天線的理想環形偶極子模型 105
4.2.3　螺旋周期結構拓展的波模特性曲線 108
4.2.4　四臂螺旋天線的工作模式設計（背射／端射） 109
4.2.5　小尺寸雙模四臂螺旋天線 110
4.3　四臂螺旋天線的饋電 111
4.3.1　四臂螺旋天線的外接圓極化饋電網絡 111
4.3.2　四臂螺旋天線的自移相饋電結構 113
4.4　四臂螺旋天線的多頻、寬帶、小型化設計 115
4.4.1　雙頻四臂螺旋天線 116
4.4.2　多頻四臂螺旋天線 118
4.5　平面螺旋縫隙天線 120
4.5.1　縫隙輻射與低剖面天線 120
4.5.2　多臂平面螺旋縫隙天線構成 121
4.5.3　多臂平面螺旋縫隙天線設計 122
4.5.4　多臂平面螺旋縫隙天線輻射特性的電腦模擬 124
4.5.5　多臂平面螺旋縫隙天線的改進設計 126
第5章　微帶天線 131
5.1　微帶天線輻射基本原理 132
5.2　圓極化微帶天線的實現 133
5.2.1　單饋點圓極化微帶天線 134
5.2.2　多饋點圓極化微帶天線 136
5.3　多頻寬帶圓極化微帶天線 141
5.3.1　多層層疊結構 142
5.3.2　雙／多調諧迴路 145
5.3.3　饋電方式的改進 147
5.4　小型圓極化微帶天線 150
5.4.1　高介電常數板材 150
5.4.2　開槽技術 150
5.4.3　分形技術 152
5.5　典型微帶天線應用實例 153
5.5.1　測量型微帶天線 153
5.5.2　空氣介質寬帶微帶天線 159
5.5.3　通導合一的多頻組合天線 160
5.6　微帶3D扼流圈高精度測量型天線 165
5.6.1　扼流圈設計原理 165
5.6.2　微帶3D扼流圈天線的電腦模擬分析 166
5.6.3　微帶3D扼流圈天線測試 167
5.6.4　華信3D扼流圈天線應用場景 169
第6章　振子天線 170
6.1　基本振子天線 171
6.1.1　線性對稱振子天線 171
6.1.2　單極天線 175
6.1.3　加載振子天線 178
6.2　寬帶振子天線 182
6.2.1　雙錐和單錐天線 182
6.2.2　錐盤天線 183
6.2.3　套筒天線 184
6.2.4　帶地板的水平扇面振子天線 187
6.3　振子天線的饋電 189
6.3.1　平衡-不平衡變換器 189
6.3.2　λ/4開槽式平衡變換器 189
6.4　傳輸線與天線阻抗匹配 191
6.4.1　Smith 圓圖 191
6.4.2　阻抗匹配 193
6.4.3　並聯電抗元件的阻抗匹配 196
6.4.4　漸變線阻抗變換器 197
6.4.5　傳輸線阻抗變換器 199
6.5　新型BDS/GNSS終端振子天線 202
6.5.1　新需求及技術關註點 202
6.5.2　輕小型十字扇面振子天線設計 203
6.5.3　新天線的電腦模擬分析 204
6.5.4　試驗樣機測試 209
第7章　高精度GNSS終端測量型天線 212
7.1　GNSS定位測量觀測量誤差概述 213
7.1.1　衛星鐘差與衛星天線相心偏差 213
7.1.2　電離層、對流層的傳播誤差 213
7.1.3　多徑效應誤差 214
7.1.4　與終端接收機設備相關的誤差 214
7.1.5　周跳和整周模糊度問題 214
7.1.6　系統相關誤差的差分處理技術 214
7.2　GNSS終端測量型天線的技術演進 215
7.2.1　終端接收天線系統引起的測量誤差 215
7.2.2　GNSS終端固定半球波束天線的發展歷程 216
7.2.3　微帶+2D/3D扼流圈天線面臨的問題 217
7.3　現代天線設計的最優化綜合方法 217
7.3.1　設計目標及目標函數的確定 218
7.3.2　約束條件 218
7.3.3　技術途徑 219
7.3.4　數值建模與優化 219
7.3.5　現代天線研製過程 220
7.4　一種新型的高精度測量型GNSS終端組合天線 221
7.4.1　天線架構一：振子主輻射單元組件 221
7.4.2　天線架構二：提高前後比增加抗多徑效應的阻性衰減地板 222
7.4.3　天線架構三：進一步提高方向圖前後比的半開口圓環腔 224
7.4.4　以電腦數據控制為主線的天線加工、組裝與檢測 225
7.5　新型振子組合天線的設計驗證 226
7.5.1　天線樣件的電腦模擬數據驗證 226
7.5.2　天線樣件輻射性能測試 228
7.5.3　電腦數值模擬與實測結果比較 229
7.5.4　新天線與NovAtel-750X-3D天線和Leica-AR20-3D天線性能
比對 231
7.6　新天線接收機系統直接接收導航信號的比測鑒定 233
7.6.1　新天線與華信-3D扼流圈天線（HX-CGX601A天線）比測 233
7.6.2　新天線與Trimble-3D扼流圈天線比測 234
7.6.3　新天線與NovAtel-750X-3D天線直接接收數據比測 235
7.6.4　新天線與Trimble-Zephyr Geodetic 2 天線比測 236
7.7　從TEQC數據解讀新天線的技術優勢 237
7.7.1　新天線具有更高的S/N，更低的波束截止角 237
7.7.2　新天線有更寬的頻帶，更適應多星並存共享 238
7.7.3　新天線獨有的空間極化濾波功能 239
7.7.4　新天線是多徑效應系數與相心空間歸一的高穩相天線 239
第8章　手持／車載GNSS終端天線 240
8.1　手持／移動終端設備採用的無線導航定位技術 241
8.1.1　衛星定位 242
8.1.2　蜂窩基站定位 243
8.1.3　A-GPS定位 244
8.1.4　WiFi輔助定位 245
8.2　車載移動終端的GNSS天線 245
8.2.1　車載天線的基本考慮 245
8.2.2　車載智能導航定位系統功能及關鍵技術 248
8.3　手持終端GNSS天線的技術關註點 248
8.3.1　測繪型GNSS手持終端天線的技術關註點 249
8.3.2　個人消費類GNSS手持終端天線的技術關註點 249
8.3.3　GNSS手持終端天線設計應用舉例 251
8.4　典型車載GPS導航定位天線 257
8.4.1　GPS-L1單頻微帶貼片天線 257
8.4.2　GPS-L1/L2 雙頻微帶貼片天線 258
8.4.3　三頻GPS天線 258
8.4.4　PCS/GPS/RKES組合天線 260
8.4.5　GPS與蜂窩電話的集成天線 261
8.4.6　GPS與DCS公用微帶天線 263
8.4.7　GPS與SDARS組合天線 266
8.5　現代GNSS移動終端天線的要求及其挑戰 267
8.5.1　尺寸、外觀、成本、質量和功能 268
8.5.2　機殼對手機中天線的影響 268
8.5.3　手機中GNSS天線輻射方向圖要求 269
8.5.4　手機中移動通信天線與GNSS天線EMI隔離技術 269
8.6　多徑環境中GNSS終端天線性能的統計模型及其測試 270
8.6.1　手持移動終端GNSS天線特性的統計模型 270
8.6.2　GNSS移動終端接收天線性能參數測試 273
8.6.3　GNSS終端接收天線與智能手機性能優化考慮 275
第9章　多頻寬帶及超寬帶天線 277
9.1　多頻寬帶及超寬帶需求分析 278
9.2　移動終端平面多頻寬帶天線 280
9.2.1　手持終端平面天線多頻及小型化設計的主要途徑 281
9.2.2　地板開槽的共面倒F形天線 282
9.3　無線定位技術的基本模型算法 286
9.3.1　三邊測量法定位模型 287
9.3.2　雙曲線定位法定位模型 287
9.3.3　最小二乘法定位模型 288
9.3.4　角度定位模型 289
9.3.5　混合定位模型 289
9.4　超寬帶定位技術 290
9.4.1　超寬帶技術 290
9.4.2　UWB帶寬定義 292
9.4.3　超寬帶室內定位技術 293
9.4.4　UWB天線的基本要求及主要性能 294
9.4.5　UWB天線設計舉例 298
9.5　UWB天線的時頻特性及其測量 301
9.5.1　UWB天線的傳遞函數 301
9.5.2　UWB天線傳遞函數和群延遲測量 302

第10章　GNSS終端接收天線測量 303
10.1　概述 304
10.1.1　測試方法和測試場地描述 304
10.1.2　近場測量 306
10.1.3　天線輻射性能確定 310
10.2　GNSS接收天線PCO/PCV的測量與標校 311
10.3　有源天線性能及其測量 312
10.3.1　有源天線LNA的作用 312
10.3.2　GNSS終端接收LNA的主要性能參數 313
10.3.3　LNA性能測試 316
10.3.4　有源天線噪聲溫度、噪聲系數和G/T值測試 319
10.4　GNSS天線群延遲變化及其測量 325
10.4.1　GNSS接收天線的相頻特性及群延遲定義 325
10.4.2　GNSS接收天線的群延遲測定 326
10.4.3　利用緊縮場的天線微分群延遲變化的室內測量方法 330
10.5　有源天線直接接收數據質量檢驗 332
10.5.1　直接測量佈局 333
10.5.2　測試結果分析 334
10.6　有源天線系統OTA測試 336
10.6.1　概述 336
10.6.2　有源天線系統OTA測試目的 337
10.6.3　OTA測試及其參數 338
10.6.4　OTA測試指標間的制約與折中處理 340

第三篇　抗 乾 擾 篇
第11章　陣列天線及其自適應工作原理 345
11.1　陣列天線概述 346
11.1.1　陣列天線空間方向圖 346
11.1.2　方向圖相乘原理 347
11.1.3　均勻直線陣空間方向圖 347
11.1.4　均勻平面陣列天線方向圖 350
11.1.5　共形陣天線的空間方向圖 353
11.2　相控陣天線 354
11.2.1　相控陣天線的基本組成 354
11.2.2　相控陣天線的波束掃描 355
11.2.3　相控陣天線多波束的形成 357
11.2.4　相控陣天線的基本術語和定義 360
11.3　自適應陣列天線基礎 361
11.3.1　自適應陣列天線概述 361
11.3.2　自適應最佳天線度量準則 373
第12章　GNSS終端自適應零對消抗乾擾天線技術 377
12.1　GNSS信號接收 378
12.1.1　GNSS終端信號接收的脆弱性和易受乾擾性 378
12.1.2　接收機系統的乾擾與抗乾擾技術 380
12.2　自適應空域調零天線系統 381
12.2.1　常用天線陣形 381
12.2.2　自適應空域濾波陣列天線的基本組成 382
12.2.3　乾擾調零天線性能 385
12.3　GNSS接收機中的嵌入式抗乾擾天線模塊 385
12.3.1　嵌入式抗乾擾天線模塊概述 385
12.3.2　天線抗乾擾處理的方式 387
12.3.3　一種4陣元天線的抗乾擾模塊射頻電路設計實例 389
12.3.4　GNSS抗乾擾零對消性能評估和測量技術 391
12.4　陣元互耦合影響及其校正技術 392
12.4.1　陣列天線的阻抗矩陣 393
12.4.2　陣元間互耦合的影響分析 394
12.4.3　陣元互耦合影響的消除 394
12.5　極化濾波抗乾擾接收天線 395
12.5.1　概述 395
12.5.2　GNSS接收中的極化濾波自適應抗乾擾技術 396
第13章　GNSS終端接收天線空時自適應抗乾擾技術 400
13.1　概述 401
13.1.1　幾個基本概念 401
13.1.2　空時自適應抗乾擾對GNSS終端接收機系統的重要性 403
13.1.3　空域自適應零對消技術的局限性 403
13.2　GNSS接收系統空時自適應陣列天線 409
13.2.1　空時自適應抗乾擾陣列天線技術的演進 409
13.2.2　數字濾波器 414
13.2.3　空時自適應抗乾擾天線的輸入和輸出 415
13.2.4　空時自適應權值的計算 416
13.3　空時自適應陣列抗乾擾天線性能評估 424
13.3.1　陣列增益 424
13.3.2　復雜環境下陣列天線的等效陣列增益 424
13.3.3　利用統計特性表徵陣列天線的抗乾擾能力 425
13.3.4　GNSS自適應陣列抗乾擾引入誤差分析 426
13.4　空時自適應抗乾擾設計 426
13.4.1　均勻線陣時域濾波的表達式 426
13.4.2　協方差矩陣的估計 427
13.4.3　空時自適應陣列天線的抗乾擾特性 428
13.4.4　GNSS接收機天線抗乾擾模塊 430
13.4.5　通道不一致性校正方法 433
第14章　GNSS終端數字多波束接收天線 435
14.1　數字多波束形成原理 436
14.1.1　數字波束形成與模擬波束形成比較 436
14.1.2　數字多波束形成模型 437
14.1.3　數字多波束形成的運算流程 439
14.1.4　數字配相多波束形成 441
14.2　基於FFT和FPGA的數字多波束形成方法 443
14.2.1　數字多波束形成中的FFT流程 443
14.2.2　數字波束形成GNSS接收機系統 446
14.2.3　基於FPGA的數字多波束實現 447
14.2.4　數字波束天線的網絡結構 449
14.3　數字多波束天線設計實例 452
14.3.1　陣列天線數字多波束形成的基本關系 452
14.3.2　N陣元圓形陣的M個聚焦波束 453
14.3.3　波束形成與空時零陷選擇策略 453
14.3.4　數字波束形成中的幅相誤差補償 456
14.3.5　最佳波束形成器 457
14.4　結語 459
參考文獻 461